量子ドットとナノ結晶

量子ドットは、その電子の閉じ込めによって光学的および電子的特性がサイズに依存するほど十分に小さい半導体ナノ結晶であり、結晶の成長を制御することで吸収色と発光色を調整できる。

Definition

量子ドットは、通常数ナノメートル程度の半導体ナノ結晶であり、電荷キャリアが三次元すべてに閉じ込められているため、その電子エネルギー準位は離散的でサイズ依存性があり、分子とバルク固体の中間的な光学的特性を示す。

Scope

このトピックでは、ゼロ次元半導体ナノ結晶について取り上げる。サイズが小さくなるにつれて実効バンドギャップが広がる量子閉じ込めの物理学、制御されたサイズと形状のほぼ単分散結晶を生成するコロイドホットインジェクションおよび関連合成、発光を改善するコアシェル構造、表面配位子化学、そしてサイズ調整可能なフォトルミネッセンスとシャープな励起子吸収という、それらを有用にする光学的特性について説明する。

Core questions

• 量子閉じ込めはどのようにしてナノ結晶の特性をサイズ依存にするのか？
• 単分散ナノ結晶は溶液中でどのように合成されるのか？
• コアシェル構造はなぜ量子ドットの発光を改善するのか？
• 表面配位子化学はナノ結晶の安定性と機能にどのように影響するか？

Key concepts

• 量子閉じ込め
• 励起子ボーア半径
• ホットインジェクション合成
• コアシェルナノ結晶
• 表面配位子
• サイズ調整可能なフォトルミネッセンス

Key theories

量子閉じ込めとサイズ調整可能なギャップ

半導体結晶が自然な励起子サイズよりも小さい場合、キャリアは閉じ込められ、許容されるエネルギーは離散的になる。結晶が収縮するにつれて実効バンドギャップは上昇するため、発光と吸収は粒子サイズとともに連続的にシフトする。

コロイド合成と形状制御

高温の配位溶媒中での急速な核形成とそれに続く制御された成長により、ほぼ単分散のナノ結晶が得られる。界面活性剤と条件を変化させることで、形状と露出面を制御し、光学的および表面特性を調整できる。

Mechanisms

光励起は、閉じ込められた電子-正孔対（励起子）を生成し、その再結合によって閉じ込められたバンドギャップによって設定されたエネルギーで光子が放出される。表面トラップとダングリングボンドは非放射経路を開き、より広いバンドギャップのシェルがこれを不活性化して発光効率を高める。

Clinical relevance

サイズ調整可能で明るく、光安定性の高い発光は、ディスプレイのバックライトやエレクトロルミネッセンススクリーン、蛍光標識やバイオイメージング、そして太陽電池や発光デバイスにおける光吸収体および発光体として、量子ドットを価値あるものにしている。

History

1980年代初頭、ブラスは量子閉じ込めの観点からナノ結晶の光スペクトルのサイズ依存性を説明した。1990年代にバウェンディらがホットインジェクションコロイド合成を開発し、ほぼ単分散で高品質なナノ結晶が得られるようになり、1996年のアリヴィサトスのレビューがこの分野を確立し、商業的な量子ドットディスプレイやバイオイメージングプローブへとつながった。

Key figures

• A. Paul Alivisatos
• Louis Brus
• Moungi Bawendi

Seminal works

• alivisatos1996
• elsayed2005

Frequently asked questions

量子ドットの「量子」は何を指すのか？

それは量子閉じ込めを指す。ドットは、波のような電子と正孔がその自然なサイズに匹敵する空間に押し込められるほど小さいため、そのエネルギーはバルク結晶の連続的なバンドではなく、離散的でサイズ依存的な準位に量子化される。

コアシェル量子ドットが裸のコアよりも明るいのはなぜか？

裸のナノ結晶の表面原子は、キャリアをトラップして発光を消光する不飽和結合を持っている。より広いバンドギャップの半導体の薄いシェルを成長させることで、キャリアはコア内部に閉じ込められ、表面が不活性化され、光を発する励起の割合が大幅に増加する。